行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
具微小特徵之汽車零件精密鍛造成形技術開發研究
研究成果報告(精簡版)
計 畫 類 別 ： 個別型 計 畫 編 號 ： NSC 100-2622-E-151-003-CC3 執 行 期 間 ： 100 年 06 月 01 日至 101 年 05 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立高雄應用科技大學模具工程系 計 畫 主 持 人 ： 許進忠 計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：蔡全順 碩士班研究生-兼任助理人員：羅仁宏 碩士班研究生-兼任助理人員：林瑞陽 碩士班研究生-兼任助理人員：梁家明 碩士班研究生-兼任助理人員：蔡嘉宏 博士班研究生-兼任助理人員：余征諴 公 開 資 訊 ： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 101 年 07 月 27 日
中 文 摘 要 ： 本計畫主要目的在開發具微小特徵之中空套筒冷間鍛造鼓脹 成形技術，製程主要分為兩大部分，分別為套筒之複合鼓脹 成形及微小特徵成形，藉由單複動機台，以有限元素分析軟 體評估鍛件之成形性進行胚料成形分析，經由適當的預成形 設計及製程參數，最後以實驗得到驗證，研究結果發現先將 外在尺寸成形完後再進行小特徵鍛打，雖然道次增加，但有 別於將小特徵一起成形，降低了機台之成形力，完成微小特 徵之充填，並達到產品的規格 中文關鍵詞： 冷間鍛造、預成形設計、複動、鼓脹、中空套筒、有限元素 分析
英 文 摘 要 ： This project will focus to develop a combined
extrusion-bulging process technology to produce the forged part with small features. The process divided two parts that combined-bulging forming and small features forming. By using single and multi-action machine and CAE software forward to calculate the formingbility. Then finished appropriate preform design and process parameter, experiment prove the result. The research showed that complete the outside dimension first then forged the small features can decrease the forming force and finished the shape filling. Even increase the forming stage but we can touch the product standard.
英文關鍵詞： Cold forging, preform design, multi action forming, extrusion, bulging, FEM, hollow sleeve, CAE
行政院國家科學委員會補助產學合作研究計畫成果
精簡報告
具微小特徵之汽車零件精密鍛造成形技術開發研究
計畫類別：□個別型計畫 □整合型計畫 ■ 技術及知識應用型
計畫編號： NSC 100－2622－E151－003-CC3
執行期間： 100 年 06 月 01 日至 101 年 05 月 31 日
計畫主持人： 許進忠
共同主持人：
計畫參與人員：蔡全順、余征諴、吳森富、王智弘
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
執行單位：國立高雄應用科技大學
中 華 民 國 101 年 07 月 09 日
行政院國家科學委員會補助產學合作研究計畫成果
精簡報告
具微小特徵之汽車零件精密鍛造成形技術開發研究
計畫編號：NSC 100－2622－E151－003-CC3 執行期限： 100 年 06 月 01 日至 101 年 05 月 31 日 主 持 人：許進忠 教授 Email： [email protected] 研究人員：蔡全順、余征諴 吳森富、王智弘中文摘要
本計劃主要目的在開發具微小特徵之中空套筒冷間鍛造鼓脹成形技術，製程 主要分為兩大部分，分別為套筒之複合鼓脹成形及微小特徵成形，藉由單複動機 台，以有限元素分析軟體評估鍛件之成形性進行胚料成形分析，經由適當的預成 形設計及製程參數，最後以實驗得到驗證，研究結果發現先將外在尺寸成形完後 再進行小特徵鍛打，雖然道次增加，但有別於將小特徵一起成形，降低了機台之 成形力，完成微小特徵之充填，並達到產品的規格。 關鍵詞：冷間鍛造、預成形設計、複動、鼓脹、中空套筒、有限元素分析Abstract
This project will focus to develop a combined extrusion-bulging process technology to produce the forged part with small features. The process divided two parts that combined-bulging forming and small features forming. By using single and multi-action machine and CAE software forward to calculate the formingbility. Then finished appropriate preform design and process parameter, experiment prove the result. The research showed that complete the outside dimension first then forged the small features can decrease the forming force and finished the shape filling. Even increase the forming stage but we can touch the product standard.
Keywords : Cold forging, preform design, multi action forming, extrusion, bulging, FEM, hollow sleeve, CAE
一. 前言： 鍛 造 製 程 依 操 作 溫 度 可 分 為 冷 間、溫間及熱間鍛造，隨著溫度的增 加，製程控制之困難度隨之增加，冷 間鍛造雖然是最為廣泛使用的製程， 但對於複雜零件及難成形材料的成形 性不佳是其弱項，因需藉由多道次設 計、適當的預成形設計、熱處理、後 加工等製程來避免可能發生的鍛造缺 陷，並利用有限元素方法進行製程分 析模擬，以電腦試模取代傳統試模方 法，降低試模及時間成本[1]。 多道次設計需考慮胚料預成形及 模具設計，常見預成形方法如打頭、 前(反)向擠伸、及複合成形技術等方 法。打頭時需考慮胚料之徑長比，避 免發生挫屈問題[2]；採用複合成形技 術，如射出鍛造(PAIF)及具彈性的媒介 物(高分子)輔助成形，利用不同的沖頭 運動，達到有效配置材料，在滿足許 可的成形負荷下，減少成形道次、避 免缺陷及節省材料等目的[3]；亦可藉 由改變擠製時模具的位移，改善滯留 金屬區之分佈，而獲得不同段差的擠 製品[4]。鍛造時需避免最常見之疊料 缺陷，其主要分佈在材料從軸向方向 朝徑向方向的交界處，由未填滿模穴 形成表面凹痕，再經過速度不連續的 材料流動，造成疊料的發生，可藉由 適 當 的預 成形 設計 ， 避 免疊 料 發 生 [5]；另可利用『浮動模具』，利用彈簧 使模具在成形過程中具有動態變化而 避免胚料及模具間不合理的材料流動 [6]。 針對中空產品的製造方法，可利用 切削加工、塑性成形、或是塑性成形 後加工，採用切削加工較為簡單，但 所需加工時間長，若採用塑性成形， 其製程較為複雜，需考慮材料預成形 (實心料、中空料)、道次規劃、材料熱 處理、潤滑等設計，因此一般做法為 先塑性成形後再進行機械加工。中空 材料預成形，採用實心料，常用設計 為『腹板』(web)設計，需考慮其厚度 及位置，可降低成形負荷，及提高材 料使用率[7]；另有『前-後-軸向複合鼓 脹擠製』製程，考慮模具間隙、模具 圓角及摩擦係數，其腹板厚度及圓角 半徑分別與徑向流動長度成正比，與 前向及反向長度成反比[8]。採用中空 料者，需考慮下料尺寸及沖頭心軸設 計，除了滿足成形尺寸，需同時考慮 模具應力，避免模具發生破壞[9]。而 微小特徵成形技術，又以齒輪產品最 大宗，使用精密鍛造技術，已經能克 服成形缺陷、模具破壞等問題，並成 形正齒輪、斜齒輪、螺旋齒輪等產品 [10] 。 如圖一所示為本研究之流程圖： 圖一. 研究流程圖 鍛件產品特徵 材料性質 製程與模具設計 模具與製程優化 實驗驗證 CAE 充填性 成形負荷 OK NO
研究之方法與步驟如下之說明： 1. 精密套筒鍛件與模具之三維 CAD 之建立 由工程人員建立所需套筒鍛件之三維 CAD，建立之模型作為分析及設計之 基礎；依此產品(機製件)評估其重量與 體積設計出鍛件。 2. 鍛造製程設計： 設計不同之模具幾何與胚料形狀，考 慮模具幾何與胚料形狀搭配之成行狀 況，探討應變資料，各階段之成形狀 況與觀察負荷和模具應力，在觀察磨 耗之情形，以提高模具使用壽命材料 使用率。 3. 三維有限元素軟體分析與實驗： 為驗證有限元素軟體分析方法與實際 之成形結果是否吻合，在有限元素分 析軟體所得知結果，由廠商實際提供 胚料與機台進行實驗； 二. 研究方法 2-1.製程設計： 本研究將製程分成兩個部分，分 別為預成形製程與齒部成形製程，先 利用傳統冷鍛成形方法將產品之外部 尺寸達成，為避免成形時力量過大及 缺陷的發生，故使用多道次的方式進 行鍛打，後續在使用三通機將兩邊齒 型鍛出。依序介紹兩部分之製程: 預成形製程設計： 設計之原理，依產品之幾何，透 過書籍之查閱，可得知中空套筒見之 成形分法為沖頭擠伸後將管壁及內孔 之尺寸，藉由計算腹鈑厚度將體積配 置完畢後，再將腹鈑沖掉，其製程大 致分為下料，將線材裁切後近形尺寸 之整形並配置好孔位以利定位，再來 進行反擠伸之動作，先將一邊體積配 置完畢後翻面擠身另一側，而後再做 一復合擠製將兩端部尺寸及腹鈑厚度 達成，座後再做一沖孔動作，其道次 設計之概念如圖二所示： 圖二. 冷鍛預成形道次設計 三通鍛齒製程設計： 利用三動式成形方式，將預鍛胚 置入模穴，床台上模面與下模面進行 合模動作，此時側邊沖頭在油壓缸的 推擠 下進行端部 鍛壓 機台如 圖三所 示。 其道次分為上下合模，及側邊鍛 壓，如圖四所示。 圖三. 三動式模組示意圖[11] 1.下料 5.複合擠 2.整形 3.反擠伸 6.沖孔 4.反擠伸
圖四. 三動鍛齒製程設計 2-3 齒型特徵溢料設計： 為克服成形端部齒型小特徵之困 難點，因存在一 0.2mm 薄齒壁，故材 料流動上面因空間狹小其充填效果不 佳，而如果使用閉模式鍛造一次將齒 部填滿所需之力量會過大，也會造成 頂出齒環之破裂，故在三動式端部鍛 打之模具設計一溢料空間，讓材料易 於流動，其成形示意圖如圖五所示。 本次之齒部成形分析，考慮胚料鍛造 時之填充性，因此在模具設計同時， 利用溢料槽(紅色處)控制流動，作為鍛 胚鍛造時控制胚料之流動性，得以順 利填沖模穴，箭頭為材料流動方向。 圖四.端部溢料流動式意圖 2-4 驗證實驗設計： 為了驗證三動端部齒型鍛壓設計 的可行性，本研究設計一單邊模具進 行實驗，目的在於觀察齒型之成形 性，及評估機台之工作力。圖五為單 邊模具成形式意圖。 圖五. 模擬實驗用模具 使用機台: 本實驗所使用的是 100 噸萬能試驗機 如圖六所示。 圖六. 實驗用機台 模仁 下模 沖頭 齒型完成 雙邊側沖
2-3.CAE 參數設定 利用有限元素分析軟 DeformV10.0，分 別進行預成形及三動鍛齒成形分析， 以下為各分析之設定參數: 冷鍛製程之參數設定： 胚料材料為 AISI1022，將模具設 為剛性體胚料為塑性體，溫度皆為室 溫攝氏 25 度，上沖頭每秒 10mm 向下 做動，上下模及頂出沖頭皆固定不 動，其中胚料與模具間的摩擦係數為 0.12 定剪摩擦，分析模型如圖七所示。 圖七. 冷鍛預成形 CAE 模型 三動端部鍛齒參數設定: 模具剛性體，胚料及模具溫度皆 攝氏 25 度，沖頭速度為 10mm/sec， 介面摩擦為 0.12 定剪摩擦，模型如圖 八所示。 圖八. 三動鍛齒 CAE 模型
三.結果與討論
3-1.分析之成形狀況： 套筒預鍛胚分析結果： 預鍛胚之成形結果，如圖九所 示，第一預成形經鍛壓後配置好外部 尺寸，並留下 5mm 厚度腹鈑成為下一 製程之預成形，經沖孔後即為三動式 鍛齒成形之預鍛胚，其沖頭成形負荷 預估為 261 噸。 圖九.預成形之成形狀況 圖十. 預成形之成形負荷 第一預成形 第二預成形 5mm 胚料 沖頭 上模 下模 胚料 頂出沖頭 沖頭 上模 下模三動齒部成形分析之結果 使用預成形胚料進行三動端部鍛 齒，沖頭做動，從齒型開始接觸後負 荷急遽上升開始溢料，直至行程到達 沖頭負荷預估為 82 噸其成形負荷及狀 況如圖十一所示。繼而觀察其沖模狀 況，分別探討外部尺寸及內孔尺寸， 從模具與胚料的接觸點觀察(綠色:模 仁與胚料、黃色:左沖頭與胚料、橘色: 又沖頭與胚料)如圖十二所示，端部外 部尺寸的充填有達成沖模狀況，內孔 部份胚料與沖頭的接觸也達充填，而 凸鼓部外部尺寸與內孔因尺寸規格上 之容許範圍故可忽略。 端部微小特徵部份藉由觀察與模具間 最小距離(Minimum Dsitance)如圖十 三所示，齒型部分充填性大致落在 0.012mm 以下，僅一些齒壁與模具間 隙大於 0.037mm，故與模具充填性佳。 圖十一. 三動鍛齒成形狀況 圖十二. 胚料充填狀況 (模具接觸點) 圖十三. 胚料之充填狀況 (Minimum Dsitance) 單邊齒部成形分析之結果 因為屬於三動式鍛壓成形之單邊簡化 分析，成形時從齒型與胚料接觸、溢 料到充填完畢其負荷趨勢及流動狀況 與全模型分析一樣如圖十四所示。而 沖頭之最大負荷為 77 噸與全模型分析 82 噸相近，故可驗證簡化分析之正確 性。 而充模的情形，也將其分成端部及凸 鼓部觀察，端部的外部充填接觸點(藍 色:與模仁接觸、綠色:與沖頭接觸、黃 0.100 0.087 0.075 0.062 0.050 0.037 0.025 0.012 0.000 Minimum Dsitance 模具接觸點
色:與下模接觸)如圖十五所示，佈滿胚 料表示達充模，而內孔部份也和全模 型分析一樣達充模，而端部的齒型如 圖十六所示，在齒壁及齒型連接處有 小凹陷產生一微小間隙。 圖十四. 成形負荷及沖模狀況 圖十五. 胚料充填狀況 (模具接觸點) 圖十六. 胚料之充填狀況 (Minimum Dsitance) 3-2.實驗結果 鍛壓結果如圖十七所示預鍛胚之成形 結果，左圖為鍛壓完畢取出之鍛件， 端部有溢料外環，針對有無達到產品 尺寸精度，進行了量測。 量測設備: 表面輪廓儀如圖十八所示 型號:Taylor Hobson Form TalysurfPGI635 ˙量測長度[X 軸] Max/Min： 120mm/0.1mm ˙量測速度：10 ㎜/s Max - 0.1, 0.25, 0.5, 1 ㎜/s ˙解析度[Z 軸]：3.2 nm ˙量測範圍[Z 軸]：6 mm ˙橫向[X 軸]解析度：0.125um ˙主軸真直度：0.5um/120mm ˙標準校正物：R=22mm 陶瓷標準球 ˙校正精度(22mm 標準球)：Pt 小於 0.15 um ˙校正報告：UKAS 英國國家實驗室認 證報告 齒深量測位置選擇直徑 17.7mm 處，如 圖十九 a.(紅線處)所示，探針移動距離 2mm 輸出數據如圖十九 b.所示，量測 0.100 0.087 0.075 0.062 0.050 0.037 0.025 0.012 0.000 Minimum Dsitance
齒峰與齒底的高度，顯示數據為 0.343mm，並量測外部尺寸，與產品規 格做比較，結果皆滿足產品規格內， 且將實驗完齒部與分析的齒型做比 較，其充填的效果一致，顯示模擬之 可靠性。故實驗結果驗證本研究所提 出之模具設計可行。 圖十七. 鍛壓完之成品 圖十八. 表面輪廓儀 Taylor Hobson Form TalysurfPGI635 圖十九. 齒深量測 圖二十. 分析齒型與實驗結果比較 表一. 實驗結果予達成指標比較表 項目 指標 實驗結果 端部外徑 φ21.1~20.9 21.1 內孔直徑 φ14.45~14.15 14.2 齒型深度 0.7~0.3 0.343 齒壁厚度 0.2 車至 0.2
三. 結論：
在此計畫中，目的為透過使用一 種設計之方法，以改善鍛胚成形性並 達到產品尺寸上規格，並透過有限元 素軟體DEFORM3D之功能，分析其成 形之狀況。 在此計畫當中，藉由CAE 軟體與 DEFORM3D分析軟體 ，進行設計與預 估成 形結果，並 透過 實際之 實驗驗 證，得到下列結果： 1.使用預成形設計可有效配置體積，繼 而達成產品的所需之要求。 2.將三動鍛造簡化為單邊進行模擬所 得到的結果大致相同，可驗證單邊成 形分析的可行性。 (a)量測位置 (b)表面輪廓儀輸出數據3. 單 邊 鍛 造 實 驗 結 果 與 分 析 結 果 相 符 ， 而產 品之 特徵 尺 寸 也有 達 成 規 範，可說明本計劃提出之設計具可應 用性。 4.利用CAE 對鍛造進行可行性評估為 可行。 使用CAE評估鍛造製程雖為通用 方法也固然可行，但在有限元素分析 軟體中，許多之分析之盲點仍可能造 成分析之錯誤或高估之情形，此時仍 需透過模具設計與深入的了解參數之 設定目的，方能在分析中取得較正確 且客觀之預估值；雖然對於較精緻細 微之特徵須以較細之網格密佈之，可 能會造成相當之冗長的分析時間，但 比較於傳統之直接試模而言，有限元 素分析法仍可節省較多的模具成本也 降低試模的時間，得以找出較適當之 鍛造方針。
四. 參考文獻：
1. K. S. Park, Chester J. VanTyne,Y. H. Moon ,”Process analysis of multistage forging by using finite element method”, Journal of Material Process Technology,Vol.187-188pp.586-590.200 7
2. Mustafa Ilhan Gökler, Haluk Darendeliler,Nazim
Elmaskaya, ”Analysis of tapered preforms in cold upsetting, International ”Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol.39 pp.1-16,1999 3. Yanling Ma, Yi Qin,Raj Balendra, ”Forming of hollow gear-shafts with pressure-assisted injection forging (PAIF) ”, Journal of Materials Processing Technology,
Vol.167,pp.294–301,2005
4. T. Makiyama,M. Murata, ”A technical note on the development of prototype CNC variable vertical section extrusion machine”, Journal of Materials ProcessingTechnology,Vol.159,pp.139-1 44,2005
5. R. Balendra,Y. Qin, ”Identification and classification of flow-dependent defects in the injection forging of solid billets”, Journal of Materials Processing Technology, Vol.106, pp.199-203,2000 6. W.L. Chan, M.W. Fu, J. Lu,L.C. Chan, ”Simulation-enabled study of folding defect formation and avoidance in axisymmetrical flanged components”, Journal of Materials Processing Technology, Vol.209,pp.5077-5086,2009
7. Gillo Giuliano, ”Process design of the cold extrusion of a billet using finite element method”, Materials & Design, Vol.28 , pp.726-729,2007
8. A.Farhoumand,R.Ebrahimi, ”Analy sis of forward–backward-radial extrusion process”, Materials and Design, Vol.30 , pp.2152-2157,2009
9. J.J. Sheu,C.H. Yu, ”The die failure prediction and prevention of the orbital forging process” ,Journal of Materials Processing Technology,Vol.201, pp.9-13,2008
10. T.A. Dean, ”The net-shape forming
of gears”, Journal of Materials Processing Technology,Vol.21, pp.271-278,2000
11. 楊俊彬, ”多軸雙向複動化鍛造模
組 專 利 報 導 ”,CEPS,Forging,Vol.14 No.1,P29-33
國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表
日期:2012/07/02國科會補助計畫
計畫名稱: 具微小特徵之汽車零件精密鍛造成形技術開發研究 計畫主持人: 許進忠 計畫編號: 100-2622-E-151-003-CC3 學門領域: 應力應變與成型無研發成果推廣資料
100 年度專題研究計畫研究成果彙整表
計畫主持人：許進忠 計畫編號：100-2622-E-151-003-CC3 計畫名稱：具微小特徵之汽車零件精密鍛造成形技術開發研究 量化 成果項目 實際已達成 數（被接受 或已發表） 預期總達成 數(含實際已 達成數) 本計畫實 際貢獻百 分比 單位 備 註 （ 質 化 說 明：如 數 個 計 畫 共 同 成 果、成 果 列 為 該 期 刊 之 封 面 故 事 ... 等） 期刊論文 1 1 100% 許進忠、余征諴、 蔡全順,2011,＇＇ 中空套筒零件鍛造 成形製程設計與有 限元素分析,＇＇ 鍛造季刊，20 卷， 3 期 ， 33-38 頁 (ISSN1023-750X ) 研究報告/技術報告 1 1 100% 中空套筒零件鍛造 成形製程設計與有 限元素分析 研討會論文 0 0 100% 篇 許進忠、林瑞陽, 2012＇＇鈑金下料 成形分析與破斷面 品 質 預 測＇＇,2012 精密 機械與製造科技研 討會論文集, May 18-20, 屏 東 , 台 灣 論文著作 專書 0 0 100% 申請中件數 0 0 100% 專利 已獲得件數 0 0 100% 件 件數 1 1 100% 件 先 期 技 轉 金 100,000 元, 技術移轉 權利金 0 0 100% 千元 碩士生 1 4 100% 博士生 1 1 100% 博士後研究員 0 0 100% 國內 參與計畫人力 （本國籍） 專任助理 0 0 100% 人次 期刊論文 0 0 100% 研究報告/技術報告 0 0 100% 研討會論文 0 0 100% 篇 論文著作 專書 0 0 100% 章/本 申請中件數 0 0 100% 國外 專利 已獲得件數 0 0 100% 件件數 0 0 100% 件 技術移轉 權利金 0 0 100% 千元 碩士生 0 0 100% 博士生 0 0 100% 博士後研究員 0 0 100% 參與計畫人力 （外國籍） 專任助理 0 0 100% 人次 其他成果
(
無法以量化表達之成 果如辦理學術活動、獲 得獎項、重要國際合 作、研究成果國際影響 力及其他協助產業技 術發展之具體效益事 項等，請以文字敘述填 列。) 開發具微小特徵之中空套筒鼓脹成形技術，經由適當的預成形設計及製程參 數，將外在尺寸成形完後再進行小特徵鍛打，雖然道次增加，但有別於將小特 徵一起成形，降低了機台之成形力，完成微小特徵之充填，並達到產品的規格。 本研究結果協助產業提高產能及良率，因而可以承接日本更大量的定單，績效 評估中。 成果項目 量化 名稱或內容性質簡述 測驗工具(含質性與量性) 0 課程/模組 0 電腦及網路系統或工具 0 教材 0 舉辦之活動/競賽 0 研討會/工作坊 0 電子報、網站 0 科 教 處 計 畫 加 填 項 目 計畫成果推廣之參與（閱聽）人數 0
